Stickstoff im Boden

Nitrat stellt, neben Phosphat, einen erheblichen Belastungsfaktor von Gewässer und Grundwasser dar. Dies begründet sich vor allem, da es als Endprodukt der Nitrifikation negativ geladen ist und so leicht, durch die in dieser Arbeit beschriebenen Prozesse, aus dem Boden ausgewaschen werden kann.

Das ist weder für die Landwirtschaft, als auch für die Trinkwasserqualität vorteilhaft. Der Eintrag von Stoffen in aquatische Systeme ist aber nicht nur von den Einträgen in den Boden, sondern auch von den geologisch-hydrologischen Voraussetzungen abhängig. So herrscht für Grundwasser mit einer geringen Verweildauer im Aquifer, z.B. unter Karst ein höheres Risiko der Nitratbelastung als Für Grundwässer mit einer langen Verweildauer im Untergrund der norddeutschen Tiefebene. Dies mindert aber nicht die Notwendigkeit, die Belastungen des Trinkwassers zu minimieren. Denn nach Wendland besteht für das Trinkwasser derzeit vielerorts die Gefahr einer sehr starken Nitratbelastung über den Grenzwerten.

Böden bilden die oberste, belebte Zone der mineralischen Erdoberfläche. Sie bestehen aus mineralischen Bestandteilen, lebendem und totem organischen Material Wasser und Gas unterschiedlicher Größe und Stoffzusammensetzung (Guderian, Robert; Gunkel, Günter (2001), S. 31). Es herrschen gegenwärtig hochkomplexe Immissionstypen aus Gasen, Aerosolpartikeln und diversen Stäuben vor. Ein Teil dieser Verbindungen wirkt als „klassische“ Verunreinigung nach ihrer Deposition auf den Boden ein (Guderian, Robert; Gunkel, Günter (2001), S. 5, 6). Einträge in den Boden können über trockene und nasse Deposition stattfinden. Die Problematik der Beschreibung der Prozesse liegt vor allem in der heterogenen Oberflächenstruktur. Diese kann mit Vegetation bedeckt, nackt, freiliegender Lithosphäre oder anthropogenen Strukturen bedeckt sein (Klöpffer, W. (1996), S. 105).

Die Deposition

Die trockene Deposition ist eine der komplexesten und am wenigsten verstandenen Phasenübergänge (Klöpffer, W. (1996), S. 105). Damit die Deposition nicht zum Erliegen kommt, müssen die deponierten Substanzen ständig verlagert bzw. chemisch umgewandelt werden, da die trockene Deposition kein Gleichgewichtsvorgang ist. An der Beurteilung der wichtigsten Parameter der trockenen Deposition gibt es noch sehr viel Forschungsbedarf. Die meisten Messungen wurden an den Gasen SO2, NOx, O3 und J2 durchgeführt. Untersuchungen an organischen Molekülen gibt es kaum (Klöpffer, W. (1996), S. 106).

Da die oben beschriebene Komplexität der Oberflächenstrukturen nur sehr schwer im Labor nachzustellen ist, gibt es nur sehr selten Labormessungen. Allerdings haben Labormessungen zwei entscheidende Vorteile gegenüber Feldmessungen, die Grundlegendes zum Verständnis der Parameter bei der Trockendeposition beitrügen. So herrschen in einem Labor konstante und regelbare Versuchsbedingungen, die zu reproduzierbaren Ergebnissen führen. (Klöpffer, W. (1996), S. 106)

Klöpffer stellt daher in seiner Arbeit den Versuchsaufbau von Payrissat & Beilke zur trockenen Deposition von SO2 vor. Auch wenn extra betont wird, dass diese Ergebnisse nicht direkt auf das Freiland übertragbar sind, kann die Apparatur zur Ermittlung von Größenordnungen, zum Vergleich verschiedener Böden und zur Bestimmung des Bodenwiderstandes dienen (Klöpffer, W. (1996), S. 106).

Bei der Nassen Deposition werden die Stoffe von Niederschlag und Nebel aus der Atmosphäre „gewaschen“. Auch hier, vor allem beim Nebel, gibt es ähnlich komplexe Zusammenhänge zwischen Oberflächenstruktur und Deposition, wie bei der trockenen Deposition. So „kämmen“ Wälder auch hier Stoffe aus der Atmosphäre.

Stickstoffverbindungen

Stickstoffverbindungen, hauptsächlich als Abbauprodukte von organischem Material aber auch als Verbrennungsrückstände, machen einen sehr großen Teil der flächigen Stoffeinträge in Böden aus. Dies und die durch die intensive Landwirtschaft im Raum des südoldenburgischen Münsterlandes begründete Problematik der Nitratanreicherungen im Grundwasser, ist der Grund, warum sie als Beispiel für die Mechanismen dienen sollen, die im Boden ablaufen.

Durch Stickstoffverbindungen in der direkten Umgebung von Einzelemittenten verursachte akute Schadwirkung, wie sie noch in den Jahren nach dem 2. Weltkrieg anzutreffen war, gibt es heute kaum noch. Allerdings trifft man aktuell oft auf latente Wirkungen, wie überdurchschnittliches Wachstum und dadurch auch zu erhöhter Anfälligkeit der Pflanzen gegenüber biotischen und abiotischen Schadfaktoren (Guderian, R.; Gunkel, G. (2001), S. 10).

Eine andere Problematik birgt der direkte Eintrag in terrestrische Ökosysteme. Durch trockene und nasse Deposition gelangen in Deutschland nach Guderian, R. & Gunkel, G. im Mittel 25 kg N je ha und Jahr in den Boden. Dies führt vor allem bei oligotrophen und ombotrophen Ökosystemen, wie zum Beispiel Hochmooren, zu existentiellen Problemen, aber auch in den übrigen Ökosystemen führt ein derart hoher N-Eintrag zu Veränderung der Vegetation, der Oberflächen- und Grundwässer (Guderian, R.; Gunkel, G. (2001), S. 10). So gelangen zwischen 120 und 250 Mio. Tonnen Ammoniak aus tierischen Ausscheidungen in die Atmosphäre und werden schließlich durch trockene und nasse Deposition in den Boden eingetragen (Gisi, U. et Al. (1997), S. 195).

Stofftransformation im Boden

Wie bereits erwähnt, wird sich in dieser Betrachtung auf Stickstoffverbindungen beschränkt werden. Die Hauptquelle für den globalen Stickstoffkreislauf ist die Atmosphäre. Diese bildet mit ihrem Stickstoffgehalt von 79,1 % die Hauptquelle für den Stickstoffkreislauf. 95% des gesamten Stickstoffumsatzes werden in der Pflanzenernährung, Nitratreduktion, Ammonifikation und Nitrifikation umgesetzt. Das zweite Stickstoffreservoir für diesen Kreislauf liegt im Boden. Dort liegt der Stickstoff zu 99% in organischer Form im Humus vor. (Gisi, U. et Al. (1997), S. 194)

Dabei wird der Stickstoff in immer höheren Verbindungen eingebaut, um schließlich wieder oxidiert zu werden. Gleichung 3-1 zeigt deutlich, wie in der Denitrifikation, die Stickstoffverbindungen an Ladung verlieren. Gleichung 3-1: Schritte der Denitrifikation (vereinfacht). (Quelle: Bremner, J. M. (1997), S. 10)

NO3 –> NO2 –> NO –> N2O –> N

Biologische N-Fixierung

Da die Stickstoffatome im Stickstoffmolekül durch eine Dreifachbindung miteinander verbunden sind, ist das Molekül extrem stabil und reagiert erst durch sehr hohe Aktivierungsenergie. Nur Mikroorganismen wie Azotobakter und Beijerinckia sind in der Lage bei Umgebungstemperatur und Normaldruck atmosphärischen Stickstoff zu binden. (Gisi, U. et Al. (1997), S. 195)

Durch im Boden frei oder mit Pflanzen in Symbiose lebende Bakterien wird der größte Teil des pro Jahr schätzungsweise 200 – 250 Mio. Tonnen Stickstoffs biologisch im Boden fixiert, der Rest durch Blitze und Verbrennungsprozesse, bei denen NOX (Gisi, U. et al. (1997), S. 195) entsteht. In die Atmosphäre gelangt im selben Zeitraum eine fast identische Menge an Stickstoff, wie biologisch gebunden wird (Gisi, U. et Al. (1997), S. 195). Im zunehmenden Maße spielt auch die industrielle Fixierung in der Düngemittelproduktion eine Rolle. Diese macht jährlich 40 – 50 Mio. Tonnen aus.

Mineralisierung

Die Mineralisierung ist die Umkehr der Immobilisierung. Nach dem Absterben von Organismen wird deren Biomasse durch Destruenten wieder mineralisiert. Der in der organischen Substanz gebundene Stickstoff wird hier durch diverse Mikroorganismen aufgeschlossen. Dazu werden im ersten Schritt die Makromoleküle wie Proteine, Nukleinsäuren etc. proteolytisch gespalten (Gisi, U. et Al. (1997), S. 196).

In Abhängigkeit von der Struktur der Moleküle werden einige organische Stoffe sehr schnell mineralisiert, andere im Lauf von Jahren oder sogar Jahrzehnten. Dieser Prozess wird durch einen häufigen Wechsel zwischen Austrocknen und Befeuchten des Bodens gefördert, ist aber zudem entscheidend von den Lebensbedingungen der Bodenorganismen abhängig (Sutor, G. (2000), S. 100).

Nitrifikation

In der darauf folgenden Nitrifikation wird NH4+ unter aeroben Bedingungen vor allem von den autotroph lebenden Bakterien Nitrosomas und Nitrobakter oxidiert. (Sutor, G. (2000), S. 100) Die Nitrifikation läuft dabei in zwei Schritten ab (Gl. 3-2):

Gleichung 3-2: chemische Gleichung der Reaktionsschritte der Nitrifikation (Quelle: Hugenroth, P. (1981), S. 7 & Guderian, Robert; Gunkel, Günter (2000), S. 21)

Nitrosomas: 2 NH4+ + 3 O2 -> 2 NO2– + 4 H+ + 2 H2O + 272 kJ

Nitrobakter: 2 NO2– + O2 -> 2 NO3– + 75 kJ

Die exotherm-chemische Reaktion führt zu einer Erhöhung der Bodenacidität, weshalb diese Umsetzungsprozesse eine nicht unerhebliche Rolle bei der Bodenversauerung spielen können. Insgesamt jedoch sind günstige Bedingungen für die Nitritfikation auch günstige Bedingungen für die Gesamtheit des Bodenlebens und führen somit zu einer hohen Fruchtbarkeit des Bodens (Sutor, G. (2000), S. 100).

Pflanzen nehmen Stickstoff meist in Form von Nitrat auf, um aus ihm Zellbestandteile zu bilden. Da Nitrat jedoch negativ geladen ist, kann es nicht an die ebenfalls oft negativ geladenen Bodenpartikel gebunden werden und wird sehr schnell ausgewaschen, womit es den Pflanzen nicht mehr zur Verfügung steht (Gisi, U. et Al. (1997), S. 196).

Denitrifikation

Unter fakultativ anaeroben Bedingungen und niedrigem pH-Wert kommt es zur Denitrifikation. Es entsteht N22, wobei letzteres oft aus den oberen Bodenschichten entweicht, bevor es weiter reduziert werden kann. (Gisi, U. et Al. (1997), S. 196) NO2 in tieferen Bodenschichten, wo es nicht entweichen kann, wird es weiter mikrobiell abgebaut. (Sutor, G. (2000), S. 101) oder NO

Die Reaktion läuft zweistufig ab (vgl. Gl. 3-3).

Gleichung 3-3: Reaktionsgleichung der Denitrifikation. (Quelle: Guderian, Robert; Gunkel, Günter (2000), S. 19)

C6H12O6 + 12 NO3- -> 12 NO2- + 6 CO2 + H2O + 3990 kJ
C6H12O6 + 8 NO2- -> 4 N2 + 2 CO2 + 4 CO2 + 4 CO32- + 6 H2O + 6240 kJ

In Oberböden liegt der Stickstoff in der Regel zu 95% in organischen Verbindungen, namentlich in Form von Huminstoffen und Überresten von abgestorbenen Pflanzen und Tieren, vor. (Sutor, G. (2000), S. 99) Die Prozesse der Immobilisierung und der Mineralisierung stehen dabei meist im Gleichgewicht. Ist das Gleichgewicht zu der einen oder anderen Seite verschoben, wird organisches Material angereichert, wie z.B. in einem Moor oder es kommt zu keiner Humusbildung, wie z.B. in tropischen Regenwäldern.

Immobilisierung

Neben der Mineralisierung ist die Immobilisierung eine fundamentale Funktion im Stickstoffkreislauf. Dabei wird das austauschbare und gelöste NH4+ direkt von heterotrophen Mikroorganismen in organische N-Verbindungen überführt. Diese Biomasse bildet den aktiven N-Pool. Die N-Assimilation durch Pflanzen oder durch N2-fixierende Mikroorganismen wird gewöhnlich nach Sutor 2000 nicht in den Begriff der N-Immobilisierung miteinbezogen. (Sutor, G. (2000), S. 99, 100)

Geoinformelle Darstellung

Die Darstellung und Modellierung stofflicher Bodenbelastungen in einem GIS eröffnet viele Möglichkeiten. Es können Modelle entwickelt werden, die Entwicklungsprognosen zulassen, aber auch der Status Quo kann mittels dieses Werkzeuges sehr gut abgebildet und untersucht werden.

In Teilen der Bundesrepublik Deutschland sind sehr hohe Nitratüberschüsse aus der Landwirtschaft zu finden. Demnach werden durchschnittlich ca. 96 kg Nitrat pro Jahr aus landwirtschaftlich genutzten Flächen ausgewaschen. In Gebieten mit intensiver Tiermast (Emsland und das südoldenburgische Münsterland), werden zum Teil Werte von mehr als 200 kg Nitrat pro Jahr erreicht (Wendland, F. et al. (1998), S. 170). Mittels geologischer Daten, wie der Grundwasserverweildauer und der Grundwasserneubildungsrate, Daten über Nitratüberschüsse und den in dieser Arbeit vorgestellten Formeln, lassen sich in einem Geoinformationssystem Werte errechnen und darstellen, wie viel Nitrat im Grundwasser potentiell zu erwarten ist. Abbildung 5-2 zeigt diese errechneten Werte.

Fazit

Um eine starke Belastung der Gewässer zu verhindern muss an der Ursache angesetzt werden. Das hieße neben einer Emissionsbeschränkung der Stickstoffquellen in Landwirtschaft, zum Beispiel durch Tierzahlbeschränkungen, und Industrie, z.B. durch entsprechende NOX-Filter, müssten auch der Natur Möglichkeiten der Retention „zurückgegeben“ werden. Diese bestünde z.B. darin, Gewässer zu renaturieren, um Retentionsflächen zu schaffen, Grundwasserspiegel nicht mehr als nötig abzusenken. In diesen Retentionsräumen können die Stoffe zumindest teilweise abgebaut werden, bevor sie mit dem Sickerwasser ins Grundwasser gelangen.

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